浮點頻率計 (2)

1、北京理工大學(xué)課程設(shè)計電子技術(shù)與課程設(shè)計題目： 浮點頻率計的設(shè)計 學(xué) 院： 自動化 專 業(yè)： 自動化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 王波 郝艾芳 目錄第1章 課程設(shè)計概述-3第2章 方案設(shè)計-5第3章 EDA仿真-12第4章 調(diào)試與結(jié)果分析-17第5章 實驗結(jié)構(gòu)及分析-18第6章 總結(jié)與體會-19第7章 參考文獻-20第1章 課程設(shè)計概述11 課程設(shè)計任務(wù)1、設(shè)計一個浮點頻率計2、要求測量頻率最高可達1MHz。3、測量結(jié)果以3位LED數(shù)碼管顯示，其中兩位用以顯示有效數(shù)字，一位顯示10的冪次數(shù)。4、要求具有啟、?？刂朴糜趩雍屯Ｖ诡l率的連續(xù)測量和顯示。5、在連續(xù)測量工作狀態(tài)下，要求每次

2、測量1s顯示3s左右，并且連續(xù)進行直至按動停止按鈕。12 使用儀器和元件 1、使用儀器：數(shù)字電路實驗箱、示波器、信號發(fā)生器2、使用元件清單：元件名稱數(shù)量（個）芯片74LS290674LS160174LS153174LS00274LS04274LS08274LS321555定時器1CD4060174LS741電阻270k1510k120021k21M1電容2200pF410nF14.7F120pF2晶振32768Hz1表1-1 元器件清單第2章 方案設(shè)計2.1課題分析本課題要求設(shè)計一個浮點式數(shù)字頻率計。一般的數(shù)字頻率計通常是由石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器以及測量與顯示控制器等組成。其原理框圖見

3、圖2-1，其中石英晶體振蕩器、分頻器、控制器的主要任務(wù)是產(chǎn)生時間基準(zhǔn)信號，其脈沖寬度必須是準(zhǔn)確的，例如1s或01s等。這種時間基準(zhǔn)信號被用來控制被測信號的輸入計數(shù)，可見被測信號的頻率與基準(zhǔn)信號選通期間計數(shù)器所計數(shù)值成正比。若基準(zhǔn)信號為1s，則計數(shù)值即為被測信號的頻率，若基準(zhǔn)信號為0.1s，則計數(shù)值乘以10即為被測信號的頻率等等。因此基準(zhǔn)信號通常設(shè)計為10的整數(shù)次冪，從而使測量結(jié)果的定標(biāo)只要移動小數(shù)點的位置即可。 圖2-1 原理框圖 基準(zhǔn)測量信號選通時間的長短以及計數(shù)器的位數(shù)決定了頻率計的分辨率，而頻率計的精度主要取決于基準(zhǔn)測量信號本身的精度。這就是脈沖源采用石英品體振蕩器的原因。由于作為開門信

4、號的基準(zhǔn)測量信號與被測信號不同步，所以這種測量方法存在著1個計數(shù)脈沖的誤差。當(dāng)被測信號頻率很低時，該誤差將使測量結(jié)果的相對誤差很大，因此上述測量原理將不適用解決這個問題的方法通常是首先測量被測信號的周期，然后再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率值。 本課題所要求的頻率計屬于前者情況，即被測信號頻率較高，所以上圖的原理框圖仍適用，但其特殊點在于計數(shù)器的小數(shù)點位置是不固定的（即使在同一標(biāo)準(zhǔn)測量信號下），所以稱為浮點式頻率計。具體來說，對于一般的頻率計，在其時間基準(zhǔn)信號選定的情況下，計數(shù)器小數(shù)點的位置就被固定，而且在基準(zhǔn)測量信號選通期間，計數(shù)器所計的全部數(shù)字都要保留，因此計數(shù)器的長度必須足夠，不能產(chǎn)生溢出，否則結(jié)果將

5、是錯誤的。這樣所需顯示器的位數(shù)也很多。對于浮點式頻率計，在其基準(zhǔn)測量信號選通期間，計數(shù)器所計的數(shù)不管多大，只要保留系統(tǒng)所規(guī)定的有效數(shù)字位數(shù)，例如本系統(tǒng)只需要保留最高兩位的有效數(shù)字，后面各位的數(shù)字一概不予保留，而只反映出其后面還有多少位就可以了。本例中通過一位十進制“冪次數(shù)計數(shù)器、顯示器來反映測量結(jié)果的小數(shù)點位置。可見本系統(tǒng)測量結(jié)果的顯示只需3位十進制數(shù)，頭兩位是結(jié)果保留的有效數(shù)字，第三位是此數(shù)所乘以10的冪次數(shù)，即結(jié)果的表達式為10n，其中為兩位十進制數(shù)，N為一位十進制數(shù)。系統(tǒng)的最高測量頻率為1MHz，因此顯示范圍完全夠用。2.2方案論證根據(jù)以上的分析，本系統(tǒng)方案如圖2-2所示。 圖2-2 系

6、統(tǒng)方案1、石英晶體振蕩器、分頻器I、控制器該部分電路主要用來產(chǎn)生基準(zhǔn)測量信號，采用石英晶體振蕩器保證了基準(zhǔn)測量信號的準(zhǔn)確性，從而保證了測量結(jié)果的精度?；鶞?zhǔn)測量信號的脈沖寬度可以是1s，也可以是0.1s等多種，這要根據(jù)系統(tǒng)測量頻率的范圍及精度要求來確定。一般頻率計都設(shè)計為多種，由用戶在使用中選擇。本系統(tǒng)以講清原理為主，因此只選擇1的一種。 此外控制電路還要求具有啟動和停止系統(tǒng)測量的功能，這可以通過“啟、“停兩個微動開關(guān)和相應(yīng)電路來實現(xiàn)。系統(tǒng)在連續(xù)測量與顯示工作狀態(tài)下，實現(xiàn)測量1s，顯示約3s，再測量，再顯示等功能。2、m計數(shù)器與N計數(shù)器m計數(shù)器為有效數(shù)字計數(shù)器，它由兩位BCD計數(shù)器組成。N計數(shù)器

7、為冪次計數(shù)器，它由一位BCD計數(shù)器實現(xiàn)。其工作過程是這樣的：首先把m、N計數(shù)器清零。當(dāng)要測頻時，按動啟動按鈕SB啟，系統(tǒng)進入連續(xù)測量與顯示工作狀態(tài)。當(dāng)基準(zhǔn)測量信號（1s）選通時，計數(shù)器控制門打開，被測量信號進入計數(shù)器。當(dāng)m計數(shù)器計滿，即N計數(shù)器仍為0。被測信號再來一個脈沖，計數(shù)器應(yīng)（達99時），頻率顯示為99100。為100，即計數(shù)器應(yīng)從99變?yōu)?0，而N計數(shù)器應(yīng)從0變?yōu)?。此后，計數(shù)器再來的脈沖應(yīng)以10為單位，即被測信號每送入10個脈沖，m計數(shù)器才應(yīng)計一個1，所以被測信號應(yīng)該經(jīng)過十分頻電路后再送入m計數(shù)器。同樣道理，在N：1的情況下，m計數(shù)器計到99時（頻率顯示為9910），若m計數(shù)器再接收

8、一個脈沖，則m計數(shù)器應(yīng)由99變?yōu)?0，而N計數(shù)器應(yīng)由1變?yōu)?。此后，計數(shù)器的輸入應(yīng)從被測信號經(jīng)100分頻器后的輸出接收，此過程一直進行到系統(tǒng)的最高測量頻率，即m、N計數(shù)器的最大值99104。可見計數(shù)器中的高位BCD計數(shù)器必須具有預(yù)置功能，以便實現(xiàn)9- 1的轉(zhuǎn)換。3、分頻器II和多路選擇器由上述分析可知，m計數(shù)器的輸入分別為被測信號f及其分頻信號f/10、f/102、f/103、f/104分頻器Il就是用來實現(xiàn)這些分頻，所以它是由4級十分頻電路來完成。多路選擇器是用來實現(xiàn)對上述5種輸入信號進行選擇，把所需信號送入m計數(shù)器，因此它要受N計數(shù)器的狀態(tài)控制。當(dāng)N：0時，多路選擇器送出了信號；當(dāng)N=1時

9、，送入f/10；當(dāng)N=2時，送入f/102；當(dāng)N=3時，送入f/103；當(dāng)N=4時，送入f/104可見多路選擇器應(yīng)為五選一電路。2.3方案實現(xiàn)1、標(biāo)準(zhǔn)測量信號的產(chǎn)生與控制電路的設(shè)計 用石英晶體組成石英晶體振蕩器，如圖2-3所示，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。如圖4

10、，G1用于震蕩；G2用于緩沖整形；R是反饋電阻，通常在幾兆歐到幾十兆歐間選?。籖1起穩(wěn)定振蕩的作用，通常取十至幾百歐之間；C1是頻率微調(diào)電容，圖2-3 石英晶體振蕩器C2是溫度特性校正用電容，C1，C2串聯(lián)等與負載電容。它們與晶體共同構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。電路的震蕩頻率及取決于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率，與R、C的數(shù)值無關(guān)。此電路輸出的1Hz脈沖信號只要經(jīng)過二分頻其脈沖寬度就是1s。但還不能這樣簡單地獲取1s基準(zhǔn)測量信號，因為基準(zhǔn)測量信號還受到啟動信號的控制，即只有啟動后才允許標(biāo)準(zhǔn)測量信號輸出去選通控制門，而且1s信號還必須受到啟動信號的同步控制，即不允許啟動后發(fā)出不完整的1s信號。為此設(shè)計的啟停控制與標(biāo)

11、準(zhǔn)測量信號電路如圖所示。其工作原理是，當(dāng)接通電源或按動SB停時，工作狀態(tài)觸發(fā)器被清零，Q=0處于停止?fàn)钤谶@里電容c起加電自動復(fù)位作用。當(dāng)按動SB啟鍵時，工作狀態(tài)觸發(fā)器被置1，Q=1系統(tǒng)處于測量工作狀態(tài)。 工作狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端Q接一T形觸發(fā)器（由JK觸發(fā)器74LS76構(gòu)成）的T輸入端，把1Hz信號接T觸發(fā)器的CP端，這樣從T觸發(fā)器的輸出QT端就可以獲得了受SB啟同步控制的1s基準(zhǔn)測量信號，QT的脈寬確是1s，但仍不能用此信號1Hz直接去選通計數(shù)控制門，其原因有二，一是若用此信號直接控制，則測量1s，顯示1s，顯示時間不可調(diào)，達不到顯示3s的要求；其二是再次測量時，前一次測量結(jié)果未清除，所以本測

12、量將在前一次結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)累加，使結(jié)果錯誤。為此可以想到控制電路應(yīng)設(shè)計一個節(jié)拍發(fā)生器，它應(yīng)由QT的下降沿啟動，發(fā)出的第一個節(jié)拍信號JP1應(yīng)封鎖基準(zhǔn)測量信號，使之不能送出后面的測量信號。第二個節(jié)拍信號應(yīng)在將近3s時發(fā)JP2出，用來清除本次測量的結(jié)果?？梢婏@示時間約為3s。最后發(fā)出JP3信號，解除對QT的封鎖，即再次QT啟動測量電路。本系統(tǒng)所設(shè)計的節(jié)拍發(fā)生器控制時序圖見圖2-4，3個節(jié)拍所占時間只要略小于3s的顯示時間即可。 圖2-4 節(jié)拍發(fā)生器控制時序圖 節(jié)拍1由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，其中R=510k，Cl=4.7F，所以負脈沖寬度為2.5s左右，和JP3都是由與非門74LS00

13、構(gòu)成的典型單穩(wěn)觸發(fā)器輸出， R、C分別為200和2200pF，所以和JP3負脈沖寬度約為0.6s，滿足工作要求。 電路的工作過程是這樣的：當(dāng)按動SB停鍵（或者系統(tǒng)加電時），工作狀態(tài)觸發(fā)器F1和連續(xù)運行觸發(fā)器F2，均復(fù)位，Q=0、Q=0，所以G門輸出為0，T觸發(fā)器處于0狀態(tài)并保持不變，1Hz信號不起作用，基準(zhǔn)測量信號輸出售=0，封鎖計數(shù)控制門，從而系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)當(dāng)按動SB啟鍵，F(xiàn)l和F2均被置1，所以G門輸出為1，當(dāng)1Hz信號下降沿時，T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，QT輸出一個脈沖為1s的基準(zhǔn)測量信號，選通計數(shù)控制門，實現(xiàn)測頻功能。當(dāng)QT下降沿到達時，經(jīng)RC微分電路觸發(fā)555構(gòu)成的第一級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，從而獲得

14、Jp1信號。JP1信號一方面送連續(xù)運行觸發(fā)器F2，使之復(fù)位，另一方面送第二級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。JP1的前沿（下降沿）使Q：0，所以G門輸出為0，T觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變，系統(tǒng)處于顯示狀態(tài)。JP1的后沿（上升沿）觸發(fā)第二級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，從而獲得JP2信號。和SB停按鈕信號一起形成清零信號用以清除T觸發(fā)器、m計數(shù)器、N計數(shù)器以及分頻器，保證再次測量時數(shù)據(jù)的正確性。JP2信號還送到第三級單穩(wěn)定觸發(fā)器的輸入端，當(dāng)JP2的后沿（上升沿）到達時，觸發(fā)第三級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，從而獲得JP3信號。送連續(xù)運行觸發(fā)器F2，使之再次啟動Q=0，所以G門輸出為1，T觸發(fā)器在1Hz信號作用下又一次發(fā)出基準(zhǔn)測量信號，再次進行測量，

15、如此周而復(fù)始進行下去，完成系統(tǒng)連續(xù)測量與顯示的功能。直到按動SB停鍵，使Q=0，Q=0封鎖G門，系統(tǒng)處于停止測量狀態(tài)。2、m計數(shù)器和N計數(shù)器的設(shè)計在方案論證中已經(jīng)看到計數(shù)器要求由99變?yōu)?0，即其高位應(yīng)由9變?yōu)?，所以其低位和N計數(shù)器均可采用一般的BCD計數(shù)器，本系統(tǒng)仍可選用兩片74LS290來實現(xiàn)，而N計數(shù)器的高位選用一片具有同步預(yù)置功能的74LS160來完成。當(dāng)74LS160計到9時，其進位端C=1，經(jīng)反相器送同步預(yù)置端LD。當(dāng)?shù)臀黄?變到0時，送來一個進位脈沖，則高位片將并行置入DCBA段的信號。系統(tǒng)中將DCBA固定接成0001狀態(tài)，從而實現(xiàn)了高位片由9變1的要求。3、分頻器及多路選擇

16、器的設(shè)計由方案論證可知，待測信號了需經(jīng)4級10分頻電路產(chǎn)生f、f/10、f/102、f/103、f/104五路信號送多路選擇器，在此仍采用74LS290實現(xiàn)十分頻。但要注意該分頻器II必須受系統(tǒng)清零信號控制，以便獲得準(zhǔn)確的分頻器全0初始狀態(tài)，從而避免由于初始狀態(tài)不同而造成的測頻誤差。分頻器輸入控制c門的作用是這樣的，它受標(biāo)準(zhǔn)測量信號QT控制，因此只有在測量期間c門才接通，此外均關(guān)閉。所以它一方面起到計數(shù)控制門的作用，另一方面又保證在系統(tǒng)清零信號解除后而測量信號到來前，分頻器II的初始全0狀態(tài)保持不變。這就是c門為什么必須放在分頻器II之前，而不能直接放在m計數(shù)器II之前的道理。多路選擇器由74

17、LS153雙四選一和或門74LS32組成八選一電路。本系統(tǒng)僅選五路信號，所以多出的三路不用。選通由N計數(shù)器的低3位QC、QB、QA來控制。4）顯示電路N計數(shù)器的輸出經(jīng)三片74L7BCD到七段顯示譯碼器/驅(qū)動器直接驅(qū)動3位數(shù)碼管完成測量結(jié)果的顯示。第3章 EDA仿真分析3.1 節(jié)拍發(fā)生器仿真電路如圖3-1所示，當(dāng)時鐘信號設(shè)置為10Hz時仿真波形分別如圖3-2所示，仿真結(jié)果驗證了節(jié)拍發(fā)生器。圖3-1節(jié)拍發(fā)生器圖3-2仿真結(jié)果3.2總體仿真總設(shè)計電路圖如圖3-3所示，上下兩部分經(jīng)過方針均可以正常工作，但是將其二者組合在一起時，可能由于multisim軟件本身性能原因，對于高頻數(shù)字電路的仿真速度有待提

18、高。在進行計數(shù)時每當(dāng)計數(shù)到高位為9時即將進位時，計數(shù)變得極其緩慢乃至卡機的情況出現(xiàn)導(dǎo)致無法繼續(xù)進行仿真。但是節(jié)拍發(fā)生器和浮點計數(shù)器均能正常工作，根據(jù)電路的邏輯原理推理可的此方案可行，經(jīng)指導(dǎo)老師許可后開始進行實際電路的搭建與調(diào)試工作。圖3-3總邏輯電路圖圖4-4 仿真結(jié)果第4章 調(diào)試與結(jié)果分析安裝與調(diào)試根據(jù)先局部后整機的原則，本系統(tǒng)可劃分為如下幾個功能塊，沿著信號的流向具體調(diào)試步驟為：1、首先安裝調(diào)試1Hz信號電路搭建石英晶體振蕩器，通過示波器觀察震蕩頻率為32.768kHz，接入CD0406和74LS74進行分頻，在通過示波器觀察74LS74輸出是否為1Hz。2、安裝和調(diào)試分頻器II以及多路選

19、擇器此時QT信號輸入端應(yīng)先接高電平，清零信號輸入端應(yīng)先接地，被測信號輸入端可先接來自數(shù)字電路實驗箱上的10kHz的脈沖信號，而多路選擇器的選擇控制端可先接到4個邏輯開關(guān)上。通過雙蹤示波器觀察各級10分頻電路的輸出是否正確，再觀察八選一電路在三個邏輯開關(guān)為不同狀態(tài)下的輸出（即或門的輸出）是否與相應(yīng)選擇的信號一致?？梢娫诰植侩娐返恼{(diào)試過程中，必然遇到某些輸入信號尚未產(chǎn)生的情況。這時必須對這些輸入端進行恰當(dāng)?shù)奶幚恚聪劝阉鼈冞B接到某些合理的信號或電平上，才能使局部電路的調(diào)整成為可能。當(dāng)然在進行整機統(tǒng)調(diào)，或其他局部電路調(diào)整涉及到這些點時，不要忘記恢復(fù)正常連接的情況。3、安裝和調(diào)試m計數(shù)器和N計數(shù)器其方

20、法與上述情況類似，數(shù)碼管和對應(yīng)的驅(qū)動芯片已經(jīng)在試驗箱上安裝好，需要在任意一個非實驗所用數(shù)碼管的管腳下接入5V電源，使數(shù)碼管正常工作。4、安裝和調(diào)試主控制器電路和節(jié)拍發(fā)生器加電后測試有關(guān)各點的初始狀態(tài)是否正確，按動SB啟鍵，用示波器觀察QT輸出端，每3s后應(yīng)出現(xiàn)一次1s脈寬的正跳變。還可以觀察JP1等信號，但JP2、JP3及清零等信號由于太窄，不易觀察。上述觀察時，示波器掃描頻率應(yīng)選得很低。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計方面，最開始參考的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課本上給出的方案中R為270K。但是在實際測量中發(fā)現(xiàn)如果使用270K電阻的話會導(dǎo)致單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完全沒用，考慮到TTL與非門的負載特性，最后選擇了20的電阻

21、，測試后終于可以產(chǎn)生正常負脈沖。在測試時，由于整個節(jié)拍發(fā)生器的信號成為一個閉環(huán)，為了測試各個模塊的正常工作與否，必須先仿真得到各個輸入輸出端應(yīng)該得到的信號波形，再將電路拆解開來，用信號發(fā)生器通入改信號，用示波器觀察是否得到應(yīng)得的型號，以此來排查故障點，最終經(jīng)過幾個模塊的拆解測試終于將各個模塊的輸入輸出調(diào)整正常。5、整機統(tǒng)調(diào)接好全部電路加電后顯示器應(yīng)為000被測信號端加入信號發(fā)生器給定的某一頻率的脈沖信號，按動啟鍵，觀察系統(tǒng)是否測量1顯示，按動B停鍵，系統(tǒng)是否停止測量且顯示為全為0，如果正常，則系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)完畢，否則通過故障點跟蹤測試法查找和分析故障性質(zhì)，從而決定返回以上哪個步驟重新進行，直到系統(tǒng)達到指標(biāo)要求為止。系統(tǒng)工作正常后就需要進行標(biāo)定，通過測量標(biāo)準(zhǔn)信號源就可以看到系統(tǒng)的測量精度。第5章 實驗結(jié)果及分析5.1實驗結(jié)果實際電路通入200Hz頻率時，三位數(shù)碼管顯示情況為201，即頻率為20101Hz。經(jīng)過多個頻率的測試，當(dāng)頻率較低時，數(shù)碼管顯示頻率與實際給定頻率值完全相同，當(dāng)頻率較高時，會產(chǎn)生一次計數(shù)的偏差，然而因為誤差相對高頻信號而言極小，因此可以忽略。由于設(shè)計只有四級分頻電路，因此本系統(tǒng)最大可測頻率為1MHz，當(dāng)被測信號頻率超過1MHz時，三位數(shù)碼管將一直顯示10